CN108051181B - 一种模拟烧蚀中液滴流动环境的流动检测装置及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种模拟烧蚀中液滴流动环境的流动检测装置及检测方法。本发明将固态物质颗粒放置在可调节角度的液滴流动平台，并在液滴流动平台上形成具有观察窗口的封闭空间，在液滴流动平台下采用加热系统将固态物质颗粒形成液滴，启动风速动力控制装置吹动液滴在液滴流动平台上流动，俯视摄像机和侧视摄像机同时采集液滴俯视形貌图和液滴侧视形貌图，并传输至计算机，得到液滴流动平台表面的液滴的生成、流动、融合和演化的动态过程；本发明能够对液滴尾迹参数、液滴流动速度、液滴融合参数等进行定量测量与分析，能够有效避免普通液滴在高温条件下迅速蒸发消失的情况，更为全面的获得液滴形状信息。

Description

一种模拟烧蚀中液滴流动环境的流动检测装置及检测方法

技术领域

本发明涉及结构形变技术，具体涉及一种模拟烧蚀中液滴流动环境的流动检测装置及检测方法。

背景技术

在航空航天领域，高温、高速流场的复杂服役环境给航空航天热防护带来了巨大挑战。特别是在高超音速飞行器再入过程中，当飞行器达到一定速度，飞行器前缘与空气产生剧烈相互作用，前缘表面温度急剧升高，导致飞行器前缘表面的结构材料由于气动加热而融化，继而形成液滴，在气流的作用下产生流动、融合等一系列演化过程。液滴的产生和流动会对高超音速飞行器产生巨大影响，因此开展地面试验模拟液滴在高温高速气流下的流动过程，分析其流动演化规律是非常必要的。

碳/碳化硅复合材料由于其良好的力学特性和抗高温性能，被广泛应用于航空航天热防护。碳/碳化硅复合材料在烧蚀过程中伴随着气态一氧化碳与液态二氧化硅等物质的生成。液态二氧化硅能够填封材料表面的缝隙等缺陷，同时能够很好的隔绝氧气与基体，减少烧蚀。然而在实际情况下，由于高温高速气流的冲刷作用，液态二氧化硅很容易被冲刷离开试件表面。在液态二氧化硅的流动过程中，大量的细小液滴在流动的同时持续不断地相互融合、长大。针对这个现象开展在线实验观测，研究液滴的流动、融合规律，以更好的利用液态二氧化硅隔绝氧气是很重要的。目前对液滴流动过程的研究较少，尤其是在高温条件下的液滴流动演化过程，缺乏相应的实验条件。清华大学冯雪课题组曾对液滴的融合过程进行研究，但由于实验条件的限制，其液滴的融合过程为常温下的融合过程，无气流作用，且无法从多个观测角度动态揭示液滴流动规律。

发明内容

针对以上现有技术中存在的问题，本发明提出了一种模拟烧蚀中液滴流动环境的流动检测装置及检测方法，模拟液滴在风洞中的流动，并对液滴进行跟踪观测，实现对服役环境下液滴流动的模拟及分析。

本发明的一个目的在于提出一种模拟烧蚀中液滴流动环境的流动检测装置。

本发明的模拟烧蚀中液滴流动环境的流动检测装置包括：液滴流动平台、风速动力控制装置、制冷装置、密封装置、观察窗口、加热系统、隔热层、光源、带有蓝光滤波片的俯视摄像机、带有蓝光滤波片的侧视摄像机、触发器、红外测温仪、计算机、支架和角度调节连接件；其中，水平放置的液滴流动平台通过角度调节连接件设置在支架上；在液滴流动平台的前端设置风速动力控制装置；在液滴流动平台的末端设置制冷装置；在液滴流动平台上方设置密封装置，从而在液滴流动平台的上表面并且位于风速动力控制装置与制冷装置之间形成封闭空间；密封装置的表面具有透明的观察窗口；液滴流动平台的下表面设置加热系统；加热系统包括导热板、加热装置和空槽，导热板设置在液滴流动平台的下表面，在导热板的下表面设置多个加热装置，在导热板内并且位于各个加热装置之间设置多个空槽，在加热系统不与液滴流动平台接触的表面外设置隔热层；在液滴流动平台的上方设置一个或多个光源；在液滴流动平台的正上方和侧面分别设置带有蓝光滤波片的俯视摄像机和带有蓝光滤波片的侧视摄像机；俯视摄像机和侧视摄像机连接至触发器，触发器连接至计算机；在液滴流动平台的正上方设置红外测温仪，红外测温仪连接至计算机；在导热板的空槽中加入导热介质以形成连续的温度分布，或者在导热板的空槽中加入隔热介质以形成阶跃的温度分布；通过角度调节连接件调节液滴流动平台与水平面间的夹角；在液滴流动平台的表面放置固态物质颗粒；加热系统对液滴流动平台进行加热，使得固态物质颗粒变成液滴；红外测温仪采集液滴流动平台表面的温度，并传输至计算机；当温度达到预设温度时，启动风速动力控制装置吹动液滴在液滴流动平台上流动，制冷装置将空气冷却并排出；同时，光源发出蓝光，透过观察窗口至液滴流动平台的上表面，计算机控制触发器，触发俯视摄像机和侧视摄像机透过观察窗口同时采集滤除了蓝光外的强辐射光的液滴俯视形貌图和液滴侧视形貌图，并传输至计算机，得到在液滴流动平台表面的液滴的生成、流动、融合和演化的动态过程。

支架包括竖直滑轨、上水平滑轨、中水平滑轨和下水平滑轨；上水平滑轨、中水平滑轨和下水平滑轨分别安装在竖直滑轨上。角度调节连接件包括铰链、支撑杆和滑块；液滴流动平台的下表面的两端分别安装铰链，两个铰链分别通过支撑杆连接至滑块，两个滑块分别安装在下水平滑轨上，从而调节液滴流动平台与水平面间的夹角。

制冷装置半导体制冷片。

密封装置采用高温石英玻璃，高温石英玻璃是透明的，因此同时作为观察窗口。

加热装置采用热电阻丝；导热板采用导热金属块；导热介质采用导热胶，隔热介质采用隔热胶。

光源采用蓝光源，蓝光滤波片滤波的范围为420nm～480nm，从而滤除蓝光外的强辐射光。

本发明的另一个目的在于提供一种模拟烧蚀中液滴流动环境的流动检测装置的检测方法。

本发明的模拟烧蚀中液滴流动环境的流动检测装置的检测方法，包括以下步骤：

1)根据需要设计检测方案，确定液滴流动平台表面的温度分布的形式、预设温度和风速动力控制装置的吹风速度；

2)根据步骤1)中设计的检测方案，在导热板的空槽中加入导热介质以形成连续的温度分布，或者在导热板的空槽中加入隔热介质以形成阶跃的温度分布；

3)调整角度调节连接件，调节液滴流动平台与水平面间的夹角；

4)在液滴流动平台的表面放置固态物质颗粒，并在液滴流动平台上方设置密封装置，从而在液滴流动平台的上表面并且位于风速动力控制装置与制冷装置之间形成封闭空间；

5)控制加热系统对液滴流动平台进行加热，使得固态物质颗粒变成液滴；

6)红外测温仪采集液滴流动平台表面的温度，并传输至计算机；

7)当液滴流动平台表面的温度达到预设温度时，启动风速动力控制装置吹动液滴在液滴流动平台上流动，制冷装置将空气冷却并排出；

8)同时，光源发出蓝光，透过观察窗口至液滴流动平台的上表面，计算机控制触发器，触发俯视摄像机和侧视摄像机透过观察窗口同时采集滤除了蓝光外的强辐射光的液滴俯视形貌图和液滴侧视形貌图，并传输至计算机；

9)当液滴流动至液滴流动平台的末端时，停止拍摄，并关闭风速动力控制装置；

10)计算机分析俯视摄像机得到的液滴俯视形貌图机以及侧视摄像机得到的液滴侧视形貌图，通过放慢高速摄影得到液滴流动演变过程动画，清晰观察并分析得到在液滴流动平台表面的液滴的生成、流动、融合和演化的动态过程。

在步骤3)中，液滴流动平台与水平面间的夹角在0～90°之间。

在步骤5)中，液滴流动平台的加热温度在400～1200℃之间。

在步骤7)中，风速动力控制装置的风速在20m/s～40m/s之间。

本发明的优点：

(1)设计了模拟烧蚀过程中液滴流动环境的封闭腔，同时控制了液滴流动的环境温度，能够实时观测记录特定温度下液滴在液滴流动平台上的流动过程，通过放慢高速摄影得到流动动画，清晰观察并分析液滴流动平台表面的液滴流动和演化过程；

(2)两台高速摄像机分别从俯视和侧视两个方向进行拍摄，更为全面的获得液滴形状信息；

(3)在结果分析方面将图像识别方法与高速摄影结合起来，能够对液滴尾迹参数、液滴流动速度、液滴融合参数等进行定量测量与分析；

(4)通过在加热系统的空槽中加入隔热介质或导热介质，可以在液滴流动平台的表面分别获得阶跃或连续的温度分布，可分析对比液滴在不同温度分布条件下的流动特征；

(5)将固态物质颗粒放置在液滴流动平台上，加热后融化形成液滴进行实验，可以有效避免普通液滴在高温条件下迅速蒸发消失的情况；

(6)通过角度调节连接件可改变液滴流动平台的角度，能够析对比液滴在不同角度平面下的流动特征。

附图说明

图1为本发明的模拟烧蚀中液滴流动环境的流动检测装置的一个实施例的示意图。

具体实施方式

下面结合附图，通过具体实施例，进一步阐述本发明。

如图1所示，本实施例的模拟烧蚀中液滴流动环境的流动检测装置包括：液滴流动平台1、风速动力控制装置2、制冷装置3、密封装置、观察窗口4、加热系统、隔热层5、光源7、带有蓝光滤波片的俯视摄像机81、带有蓝光滤波片的侧视摄像机82、触发器、红外测温仪9、计算机、支架和角度调节连接件；其中，水平放置的液滴流动平台1通过角度调节连接件设置在支架上；在液滴流动平台1的前端设置风速动力控制装置2；在液滴流动平台1的末端设置制冷装置3；在液滴流动平台1上方设置密封装置，从而在液滴流动平台1的上表面并且位于风速动力控制装置2与制冷装置3之间形成封闭空间；密封装置的表面具有透明的观察窗口4；液滴流动平台1的下表面设置加热系统；加热系统包括导热板61、加热装置62和空槽63，导热板设置在液滴流动平台1的下表面，在导热板的下表面设置多个加热装置，在导热板内并且位于各个加热装置之间设置多个空槽，在加热系统不与液滴流动平台1接触的表面外设置隔热层5；在液滴流动平台1的上方设置一个或多个光源；在液滴流动平台1的正上方和侧面分别设置带有蓝光滤波片的俯视摄像机81和带有蓝光滤波片的侧视摄像机82；俯视摄像机和侧视摄像机连接至触发器，触发器连接至计算机；在液滴流动平台1的正上方设置红外测温仪9，红外测温仪9连接至计算机。

支架11包括竖直滑轨、上水平滑轨、中水平滑轨和下水平滑轨；上水平滑轨、中水平滑轨和下水平滑轨分别安装在竖直滑轨上。角度调节连接件包括铰链12、支撑杆13和滑块14；液滴流动平台1的下表面的两端分别安装铰链，两个铰链分别通过支撑杆连接至滑块，两个滑块分别安装在下水平滑轨上，从而调节液滴流动平台1与水平面间的夹角。

俯视摄像机81通过滑块安装在上水平滑轨；侧视摄像机82通过滑块安装在中水平滑轨上。俯视摄像机81和侧视摄像机82分别通过滑块沿着上水平滑轨和中水平滑轨移动，从而随着液滴一同移动。

在本实施例中，制冷装置3半导体制冷片；密封装置采用高温石英玻璃，高温石英玻璃是透明的，因此同时作为观察窗口4；加热装置62采用热电阻丝；导热板61采用导热金属块；导热介质采用导热胶，隔热介质采用隔热胶；光源7采用两个蓝光源。

本实施例的模拟烧蚀中液滴流动环境的流动检测装置的检测方法，包括以下步骤：

1)根据需要设计检测方案，确定液滴流动平台表面的温度分布的形式、预设温度和风速动力控制装置的吹风速度；

2)根据步骤1)中设计的检测方案，在导热板的空槽中加入隔热胶以形成阶跃的温度分布；

3)调整角度调节连接件，调节液滴流动平台与水平面间的夹角为30°；

4)在液滴流动平台的表面放置固态环氧树脂颗粒，并在液滴流动平台上方设置高温石英玻璃，从而在液滴流动平台的上表面并且位于风速动力控制装置与制冷装置之间形成封闭空间，并具有观察窗口；

5)控制加热系统对液滴流动平台进行加热，使得固态物质颗粒变成液滴；

6)红外测温仪采集液滴流动平台表面的温度，并传输至计算机；

7)当液滴流动平台表面的温度达到600℃时，启动风速动力控制装置吹动液滴在液滴流动平台上流动，风速为20m/s，制冷装置将空气冷却并排出；

8)同时，两个光源发出蓝光透过观察窗口照射液滴流动平台的上表面，计算机控制触发器，触发俯视摄像机和侧视摄像机透过观察窗口，同时采集滤除了蓝光外的强辐射光的液滴俯视形貌图和液滴侧视形貌图，并传输至计算机；

9)当液滴流动至液滴流动平台的末端时，停止拍摄，并关闭风速动力控制装置；

10)计算机分析俯视摄像机得到的液滴俯视形貌图机以及侧视摄像机得到的液滴侧视形貌图，通过放慢高速摄影得到液滴流动演变过程动画，清晰观察并分析得到在液滴流动平台表面的液滴的生成、流动、融合和演化的动态过程。

最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种模拟烧蚀中液滴流动环境的流动检测装置，其特征在于，所述流动检测装置包括：液滴流动平台、风速动力控制装置、制冷装置、密封装置、观察窗口、加热系统、隔热层、光源、带有蓝光滤波片的俯视摄像机、带有蓝光滤波片的侧视摄像机、触发器、红外测温仪、计算机、支架和角度调节连接件；其中，水平放置的液滴流动平台通过角度调节连接件设置在支架上；在液滴流动平台的前端设置风速动力控制装置；在液滴流动平台的末端设置制冷装置；在液滴流动平台上方设置密封装置，从而在液滴流动平台的上表面并且位于风速动力控制装置与制冷装置之间形成封闭空间；所述密封装置的表面具有透明的观察窗口；所述液滴流动平台的下表面设置加热系统；加热系统包括导热板、加热装置和空槽，导热板设置在液滴流动平台的下表面，在导热板的下表面设置多个加热装置，在导热板内并且位于各个加热装置之间设置多个空槽，在加热系统不与液滴流动平台接触的表面外设置隔热层；在液滴流动平台的上方设置一个或多个光源；在液滴流动平台的正上方和侧面分别设置带有蓝光滤波片的俯视摄像机和带有蓝光滤波片的侧视摄像机；所述俯视摄像机和侧视摄像机连接至触发器，触发器连接至计算机；在液滴流动平台的正上方设置红外测温仪，红外测温仪连接至计算机；在导热板的空槽中加入导热介质以形成连续的温度分布，或者在导热板的空槽中加入隔热介质以形成阶跃的温度分布；通过角度调节连接件调节液滴流动平台与水平面间的夹角；在液滴流动平台的表面放置固态物质颗粒；加热系统对液滴流动平台进行加热，使得固态物质颗粒变成液滴；红外测温仪采集液滴流动平台表面的温度，并传输至计算机；当温度达到预设温度时，启动风速动力控制装置吹动液滴在液滴流动平台上流动，制冷装置将空气冷却并排出；同时，光源发出蓝光，透过观察窗口至液滴流动平台的上表面，计算机控制触发器，触发俯视摄像机和侧视摄像机透过观察窗口同时采集滤除了蓝光外的强辐射光的液滴俯视形貌图和液滴侧视形貌图，并传输至计算机，得到在液滴流动平台表面的液滴的生成、流动、融合和演化的动态过程。

2.如权利要求1所述的流动检测装置，其特征在于，所述支架包括竖直滑轨、上水平滑轨、中水平滑轨和下水平滑轨；所述上水平滑轨、中水平滑轨和下水平滑轨分别安装在竖直滑轨上；角度调节连接件包括铰链、支撑杆和滑块；液滴流动平台的下表面的两端分别安装铰链，两个铰链分别通过支撑杆连接至滑块，两个滑块分别安装在下水平滑轨上。

3.如权利要求1所述的流动检测装置，其特征在于，所述制冷装置采用半导体制冷片。

4.如权利要求1所述的流动检测装置，其特征在于，所述密封装置采用高温石英玻璃，高温石英玻璃是透明的，同时作为观察窗口。

5.如权利要求1所述的流动检测装置，其特征在于，所述加热装置采用热电阻丝；导热板采用导热金属块；所述导热介质采用导热胶，所述隔热介质采用隔热胶。

6.如权利要求1所述的流动检测装置，其特征在于，所述光源采用蓝光源，蓝光滤波片滤波的范围为420nm～480nm。

7.如权利要求2所述的流动检测装置，其特征在于，所述俯视摄像机通过滑块安装在上水平滑轨；侧视摄像机通过滑块安装在中水平滑轨上；所述俯视摄像机和侧视摄像机分别通过滑块沿着上水平滑轨和中水平滑轨移动，从而随着液滴一同移动。

8.一种基于如权利要求1所述的模拟烧蚀中液滴流动环境的流动检测装置的检测方法，其特征在于，所述检测方法包括以下步骤：

1)根据需要设计检测方案，确定液滴流动平台表面的温度分布的形式、预设温度和风速动力控制装置的吹风速度；

2)根据步骤1)中设计的检测方案，在导热板的空槽中加入导热介质以形成连续的温度分布，或者在导热板的空槽中加入隔热介质以形成阶跃的温度分布；

3)调整角度调节连接件，调节液滴流动平台与水平面间的夹角；

4)在液滴流动平台的表面放置固态物质颗粒，并在液滴流动平台上方设置密封装置，从而在液滴流动平台的上表面并且位于风速动力控制装置与制冷装置之间形成封闭空间；

5)控制加热系统对液滴流动平台进行加热，使得固态物质颗粒变成液滴；

6)红外测温仪采集液滴流动平台表面的温度，并传输至计算机；

7)当液滴流动平台表面的温度达到预设温度时，启动风速动力控制装置吹动液滴在液滴流动平台上流动，制冷装置将空气冷却并排出；

8)同时，光源发出蓝光，透过观察窗口至液滴流动平台的上表面，计算机控制触发器，触发俯视摄像机和侧视摄像机透过观察窗口同时采集滤除了蓝光外的强辐射光的液滴俯视形貌图和液滴侧视形貌图，并传输至计算机；

9)当液滴流动至液滴流动平台的末端时，停止拍摄，并关闭风速动力控制装置；

10)计算机分析俯视摄像机得到的液滴俯视形貌图机以及侧视摄像机得到的液滴侧视形貌图，通过放慢高速摄影得到液滴流动演变过程动画，清晰观察并分析得到在液滴流动平台表面的液滴的生成、流动、融合和演化的动态过程。

9.如权利要求8所述的检测方法，其特征在于，在步骤5)中，液滴流动平台的加热温度在400～1200℃之间。

10.如权利要求8所述的检测方法，其特征在于，在步骤7)中，风速动力控制装置的风速在20m/s～40m/s之间。